基于虚拟装配技术的万能绘图仪创新设计开发研究

陈云，郭利，张爽华

(安徽国防科技职业学院机械工程系，安徽六安237011)

基于虚拟装配技术的万能绘图仪创新设计开发研究

陈云，郭利，张爽华

(安徽国防科技职业学院机械工程系，安徽六安237011)

基于UG平台，首先通过自底向上的虚拟装配、干涉分析，然后与PowerPoint相链接，最终完成万能绘图仪的设计开发过程。显而易见，此技术不但可以提高产品设计效率及质量，而且能够实现产品的装配工艺可视化，为企业的无纸化办公提供技术参考。

万能绘图仪;虚拟装配;创新设计;动画;UG

量角器、三角板、圆规是教师教学中必备的绘图用具，往往由于件数多、使用麻烦，教师常常忘记带上一、两件，从而影响正常的教学秩序。为了解决以上难题，本文将详细介绍一种万能绘图仪的创新设计开发过程，该绘图仪是在UG平台下基于虚拟装配技术开发设计完成的。

一 万能绘图仪

1．产品简介。

现在教师上课画图时，画图工具的携带成了一个棘手问题，几乎每个绘图工具只具备一个功能，要用到好几种工具，件数多，使用起来极其麻烦;其次，教师在画图的时候，还要一边画图一边扶着工具，这样不仅浪费时间，而且影响画图精度。基于以上考虑，便设计开发了这款万能绘图仪，其携带方便、操作简单，成本价格不及一个量角器，是教师最理想、最经济、最简便的绘图用具，其实物图如图1所示。

图1 万能绘图仪实物

2．结构组成。

万能绘图仪采用四连杆机构，主要由连杆、刻度盘及圆柱销钉等零部件组成，如图2所示。

3．功能介绍。

此万能绘图仪不仅可以画圆，还可以当量角器、平行四边形线框、直尺等使用，而且其(安装上磁铁石)能够粘附在铁质黑板上，所以画图时完全可以不用手扶，省力方便，其详细功能介绍如图3所示。

图2 万能绘图仪三维实体UG图

图3 万能绘图仪功能大

4．工作原理。

如图2、图3所示:①扳转万能绘图仪主板1、主板2，根据刻度盘上指针的长度读数，便可作出相应半径的圆，实现圆规功能，注:其中，圆规画圆半径是根据正弦三角函数

计算得出的。设:OA、OB为圆规两长脚的长度，即为圆的半径OA=OB=R。△AOB为等腰三角形，∠AOB=α，∠AOC=α/2，AC=R×sinα/2，AB=2R×sinα/2，AB即为圆规画圆的半径长;②通过刻度盘指针停留点的度数读出角度，实现量角器功能;③变换复板1、2的不同位置，可画出各种三角形、四边形及梯形等形状;④去掉复板1、复板2，拉直伸缩板1、2，便成为了一把直尺;⑤在绘图仪上安装磁铁石，便可粘附在铁质黑板上，画图时不需用手扶。

5．成本预算。

考虑到此绘图仪是教学用品，且不需要承受大载荷，所以整体采用木质原料，这样一来不仅可以方便携带，而且还可减少重量、缩小成本，因此，相对以往的教学教具更加节省木材，减小木工的工作量，节省木材，保护树木，保护环境。

表1 成本预算(总费用:50元)

二 虚拟装配技术

传统产品的设计开发往往会由于设计不正确或装配过程不合理而导致产品的研发成本增加、研发周期变长，近些年随着计算机技术的迅猛发展，兴起了一个全新的研究领域—虚拟装配，其是在计算机上利用虚拟的实体模型进行仿真设计与装配成形，早期发现并解决设计与装配过程中所出现的问题。

图4 虚拟装配设计流程

a)设计流程。

根据机械产品设计开发过程，可将虚拟装配技术设计流程划分为图4所示的几个步骤。

b)零件建模。

万能绘图仪组成主要有:圆规主体(含刻度盘)、复板1 (2)、伸缩板1(2)、销钉等，其三维实体如图5所示。

图5 万能绘图仪主要零部件

c)虚拟装配。

在UG平台下，根据万能绘图仪功能要求及各个零件之间的关系，采用自底向上(down－top)的装配设计思路，通过装配约束管理，完成其总装图，如图6所示。

图6 万能绘图仪总装图

d)干涉检查。

干涉检查是评价虚拟装配效果的有效手段，分静态和动态干涉两种。通过静态干涉检查可以发现设计的零部件结构是否合理，及时修改不合理的结构，确保零部件无干涉地装在一起;而动态干涉检查可以确保装配设计的正确性。利用UG静态干涉检查工具可以发现装配体存在干涉的部位并及时修改，确定产品的可装配性。例如:圆柱销钉和复板2存在干涉，则干涉区域会在UG里高亮显示，如图7所示。产生干涉的原因可能是:①销钉直径大;②复板2上销孔直径小。经过修改后的模型经干涉分析不再存在干涉，如图8所示。

图7 有干涉

图8 修改后(无干涉)

动态干涉检查可以使用UG内置插件“运动仿真→干涉检查→干涉暂停事件”来实现，首先使零部件按约束条件运动，若存在干涉，则运动停止并显示相互干涉的部分。例如:通过动态干涉检查，可以确保复板1上的导槽足以能够让销钉自由往复滑动。

e)生成爆炸视图。

利用UG的爆炸技术将总装图拆分，详细查看各个零件，如图9所示。

图9 爆炸视图

f)生成可视化装配动画。

为了再现万能绘图仪的装配工艺(装配过程)，利用“装配序列导航器”可以形象地描述其装配过程，动画截屏如图10所示。

图10 动画截屏

将动画文件与PowerPoint进行相链接，如图11所示，单击“总装动画”，即可查看扭力限制器的装配过程，形象易懂。

图11 链接动画屏

三 和传统设计方法对比

将万能绘图仪的虚拟装配设计和传统设计方法对比，对比结果如表2所示。

表2 设计方法比较

四 结语

基于UG平台，采用虚拟装配技术实现了万能绘图仪的创新设计开发，通过与传统设计方法的对比，能够看出基于虚拟装配技术的设计方法不但可以降低开发成本、缩短研发周期，而且还能实现产品装配的可视化、形象化，对提高企业产品市场竞争力、加快无纸化办公具有十分重要的意义。

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Innovation Design and Development of Universal Plotting Instrument based on Virtual Assembly Technology

Chen Yun，Guo Li，Zhang Shuanghua
(Mechanical Engineering Department，Anhui National Defense Vocational College，Liu’an，Anhui 237011，China)

Using UG software，first，through down－top virtual assembly and interference analysis，then linking PowerPoint，finally finishing virtual assembly process of universal plotting instrument．The results show that this technology can not only improve design efficiency and quality of products，but also achieve visual assembly process，what’s more，provide technical reference for enterprises’paperless office．

universal plotting instrument;virtual assembly;innovation design;animation;UG

TH122:TP31

A

1672－6758(2015)05－0018－3

(责任编辑:郑英玲)

陈云，讲师，助理工程师，安徽国防科技职业学院机械工程系。研究方向:机械工程。

2013年安徽高校省级质量工程资助项目“数控技术专业综合改革试点”(项目编号:2013zy143)的阶段性研究成果。

Class No．:TH122:TP31 Document Mark:A